Лазерный мир

В области передачи данных лазер  излучением с поверхности в вертикальной полости (VCSEL, Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) были незаменимы с конца 1990-х годов. Теперь они широко используются в медицинских технологиях, производственных процессах, смартфонах и автоматизированном вождении.

Прошло десять лет с момента запуска первого коммерческого завода по производству поверхностно-излучающих лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL), пока Finisar не поставил 50-миллионный VCSEL в 2006 году. Одиннадцать лет спустя — 2017 год — пионер рынка, который недавно был приобретен компанией II-VI Incorporated, уже продано 300 миллионов единиц.

Производительность VCSEL также быстро росла за это время. Например, в области передачи данных по волоконной оптике первые VCSEL могли модулировать до 1 гигабит / с (Гбит / с), но теперь она увеличилась до 25 Гбит / с; в демонстрационных образцах  даже до 56 Гбит / с.

Дух оптимизма и подготовка к буму

Поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором уже давно вышли за пределы своих оригинальных рынков передачи данных. Среди других областей они закрепились в лазерных принтерах, системах автофокусировки камер и сенсорных технологиях. Но в настоящее время среди поставщиков появился новый дух оптимизма. Созданы новые заводы . Мощные подразделения формируются путем поглощений, таких как в случае II-IV Inc. и FINISAR, TRUMPF и PHILIPS PHOTONICS, и текущих попыток AMS TECHNOLOGIES захватить Osram. Это потому, что технология VCSEL готовится завоевать новые массовые рынки.

Новая динамика рынка изменилась с 2017 года, когда Apple выпустила на рынок первые айфоны с распознаванием лиц на основе VCSEL и 3D-сенсорами. Все больше производителей смартфонов и планшетов следуют примеру 3D сенсорных систем. Во многих случаях им требуется три и более VCSEL на смартфон. В то же время на автомобильном рынке открываются многие области применения. Системы LiDAR управляют передовыми системами помощи водителю и автономным транспортным средствам в движении, используя очень быстрые («на лету») измерения расстояния во время движения (time-of-flight measurements). Основной технологией для этого являются многомодовые массивы VCSEL с сотнями и даже несколькими тысячами резонаторов. Кроме того, салоны автомобилей оснащены другими сенсорными системами на основе VCSEL. Но есть еще много других потенциальных рынков. В биофотонике и медицинской технике VCSEL прокладывают путь для миниатюрных пульсовых оксиметров для измерения кислорода в крови; они функционируют как эталонные лазеры для FTIR-спектрометров и как источники света для оптической когерентной томографии (ОКТ, optical coherence tomography). Помимо этого, приложения обнаруживаются в промышленных производственных процессах. Это связано с тем, что мощности массивов VCSEL продвигаются вперед в среднем диапазоне двузначных ватт, а некоторые эксперты считают, что диапазон киловатт вполне возможен в будущем. Форма луча вертикальных излучателей также обеспечивает высокоэффективное волоконное соединение. Следовательно, становится все более вероятным, что в дополнение к первым применениям VCSEL в процессах термообработки, таких как на будущем рынке аддитивного производства, мы также увидим процессы промышленной резки, склеивания, структурирования и обработки поверхности.

Недорогое производство — преимущества для упаковки

Что именно делает лазеры с поверхностным излучением с вертикальным расположением резонаторов столь привлекательными? Одной из причин является их относительно простое производство. До 20 000 VCSEL можно разместить на пластине диаметром 2 дюймов (5,08 см). Контроль качества проще, потому что вся структура сэндвича построена на пластине и потому что лазеры излучают  вверх. Инспекции проводятся автоматически со стандартными процессами и оборудованием для интегральных схем. Послойная структура имеет еще одно преимущество: два лазерных зеркала — используются распределенные Брэгговские отражатели (DBR, distributed Bragg reflectors) — могут быть легко расположены под и над активным полупроводниковым слоем. В отличие от этого, с лазерными диодами с краевым излучением, производители сначала должны разрезать пластины, чтобы прикрепить слои зеркал. В дополнение к сокращенным производственным усилиям VCSEL предлагают высокую энергоэффективность и вышеупомянутое преимущество высокосимметричного кругового светового пучка, который обеспечивает эффективное соединение по волокну.

Спектры длин волн и мощности вертикальных излучателей также расширяются, и в настоящее время они варьируются от ближнего инфракрасного диапазона 2300 нанометров до видимого фиолетового диапазона около 380 нанометров. Исследовательские группы уже работают над VCSEL для ультрафиолетового диапазона. В настоящее время мощность в импульсном режиме достигает среднего двухзначного ваттного диапазона, а с модулями массива VCSEL даже трехзначного диапазона. Промышленные нагревательные модули на основе VCSEL являются особым случаем. Их мощность почти в двухзначном диапазоне киловатт. Основанные на тысячах синхронизированных микродиодных лазеров, излучающих свет в ближнем инфракрасном диапазоне, с плотностями мощности, превышающими 100 Вт / см², и тем фактом, что подвод тепла может хорошо регулироваться, модули на основе лазера обеспечивают быстрый процесс в Термической обработке и точность при крупносерийной обработке пластмасс.

Источник: https://world-of-photonics.com/en/newsroom/photonics-industry-portal/technologies/vcsels/